JP2775888B2

JP2775888B2 - プラズマアーク加工装置

Info

Publication number: JP2775888B2
Application number: JP23411789A
Authority: JP
Inventors: 守敏長坂; 喜久夫寺山; 慶樹森本
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 1989-09-08
Filing date: 1989-09-08
Publication date: 1998-07-16
Anticipated expiration: 2013-07-16
Also published as: JPH0394983A

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本発明はプラズマアーク加工装置の改良に関し、特に
加工時の電気的変化や加工時間、回数などから電極の寿
命の終了を推定し、電極の取替時期を判定するようにし
たプラズマアーク加工装置の保護装置に関するものであ
る。

〈従来の技術〉プラズマアーク加工装置においては、主電極と被加工
物との間にアークが発生し、これによって溶断、溶接な
どの加工を行うものであるが、通常はこの加工用主アー
クの点弧に先立って主電極を囲むように同心状に設けら
れたチップ電極との間にパイロットアークとよばれる小
電流アークを点弧する。このパイロットアークは主アー
クを誘発するために用いられるものであり、従ってチッ
プ電極はこのパイロットアークを発生させる目的で設け
られるものである。このチップ電極はまた、主アークを
細く収束するために先端にオリフィス部とよばれる小孔
が設けられており、主電極とこのチップ電極との間に高
速のガス流を通してアークの周囲を冷却してアークを細
く絞るとともに狭いオリフィス部から噴出させることに
よって高いエネルギー密度のプラズマアークを得る。そ
れ故、主電極とチップ電極との間隙は狭く、特にオリフ
ィス部の内側では数mm以下の間隙となっている。このた
めに主電極の消耗やチップ電極のオリフィスの汚れなど
が発生すると、主アークが主電極から直接被加工物に至
らずに、一旦チップ電極を経由して被加工物に至る一般
にシリーズアークとよばれる現象が発生する。

このシリーズアークが発生すると、アーク発生位置が
変化するために十分にアークが収束されず乱れた状態と
なり、目的の加工が行なえなくなる。また加工用の大き
な電流がチップ電極に流れるためにチップ電極が短時間
で焼損し、これにつづいてチップ電極を覆っているカッ
プの破損および主電極の急激な消耗を招き、ついにはト
ーチの焼損に至ることになる。

そこで従来から電極の寿命を加工時における電気量の
変化や加工回数、時間などにより推定し、警報を発した
り作業中断あるいは再起動禁止の処置をとるように保護
回路が設けられていた。

第４図に従来装置の例を示す。同図において１はプラ
ズマアーク加工用電源であり、通常定電流特性の直流電
源が用いられる。２は加工用トーチの内部に設けられた
棒状の主電極であり、電源１の負出力端子に接続され
る。３は主電極２を同心的に囲むように設けられたチッ
プ電極であり縦断面にて示してある。このチップ電極３
は円錐筒状をなし先端にはオリフィス部3aが設けられて
いる。４は被加工物であり、電源１の正出力端子に接続
される。５は主電極２と被加工物４との間に発生してい
るアークであり、６は主電極２とチップ電極３との間の
電圧Vcを検出する電圧検出器、７は比較器であり、電圧
検出器６の出力Vcと基準電圧設定回路８の出力Vsとを比
較しVc＜Vsとなったときにハイレベル信号を出力する。
９はRSフリップフロップ回路であり、Ｓ入力端子に比較
器７の出力が供給される。またＲ端子はリセット用押ボ
タンスイッチPB3を介して直流電源Ｅに接続される。こ
れによってRSフリップフロップ回路９はVc＜Vsとなって
比較器７の出力がハイレベルとなったときから出力端子
Ｑがハイレベルとなり、リセット用押ボタンスイッチPB
3を押すまでの間これを保持するように動作する。ここ
で、基準電圧設定回路８の設定値Vsは主電極２とチップ
電極３との間の電圧の正常時の平均電圧に比べて十分低
い電圧に設定されている。TR1はトランジスタであり、
フリップフロップ回路９のＱ出力がハイレベルになるこ
とによって導通してリレーCR1を励磁する。PB1は加工開
始指令用押ボタンスイッチ、PB2は加工停止指令用押ボ
タンスイッチであり、押ボタンスイッチPB1を押すとリ
レーCR2が励磁されて接点CR2aにてコイルが自己保持さ
れるとともに接点CR2aが閉じることによって加工用電源
１が起動する。ALMは異常警報器であり、リレーCR1の接
点CR1aと直列にして直流電源Ｅに接続される。

また図示は省略したがプラズマ生成用ガスがトーチの
上方からチップ電極３と主電極２との間に供給されてオ
リフィス部3aから高速のガス流となって噴出するよう構
成されている。

第４図の装置において、起動指令用押ボタンスイッチ
PB1を押すとリレーCR2が励磁され、接点CR2aが閉じる。
これによって加工用電源１が起動し被加工物４に正出
力、主電極２に負出力を供給する。これと同時にガスが
供給され、また図示を省略した起動回路によって主電極
とチップ電極との間にパイロットアークが点弧される。
このパイロットアークによって電離されたガスが被加工
物４に達することによって加工用プラズマアークが主電
極２と被加工物４との間に発生する。プラズマアークが
発生すると電圧検出回路６は主電極２とチップ電極３と
の間の電圧Vcを検出し、比較器７に供給する。比較器７
において検出電圧Vcは基準電圧Vsと比較されVc＞Vsの間
はローレベル出力、Vc＜Vsになるとハイレベル出力を発
生する。なおプラズマアーク起動前および起動直後の不
安定期間はこの比較器７の出力をフリップフロップ回路
９に伝達しないように工夫されている。

いま、加工を続行してゆくと電極２が次第に消耗して
ゆき、電極の寿命の末期になると、電極表面の消耗が急
激になり、ついには主電極が部分的に溶落し始める。こ
の主電極の溶落が発生すると主電極とチップ電極との間
に電極構成物が存在する瞬間が生じ、両電極間の電圧が
一瞬低下する現象が発生する。この電圧低下が発生する
と比較器７は電圧の低下する期間に応じたパルス状の出
力信号を発生し、この最初のパルス状出力の立上りによ
ってフリップフロップ回路９がセットされてＱ端子出力
がハイレベルに反転する。これによってリレーCR1が励
磁されて接点CR1bが開き、リレーCR2を非励磁とする。
この結果加工用電源１は起動指令接点CR2aが開くので出
力を停止し、プラズマアークは遮断される。一方、CR1
の励磁によって接点CR1aが閉じ警報器ALMは直流電源Ｅ
の出力が印加されて異常の発生を作業者に知らせる。フ
リップフロップ回路９は、Ｓ端子入力がローレベルにな
ってもＲ端子にリセット入力信号が供給されるかまたは
制御電源が遮断されるまではＱ端子出力をハイレベルの
まま保つのでプラズマアークが遮断されて後も継続して
警報を発生したままとなる。作業者がこの警報によって
電極の異常（寿命の終了）を知り、主電極２およびチッ
プ電極３を点検、取替した後にリセット用押ボタンスイ
ッチPB3を押すと、フリップフロップ回路９はリセット
され、これによってリレーCR1は非励磁となって接点CR1
aが開き、接点CR1bが閉じて起動前の状態に戻る。

〈発明が解決しようとする課題〉第４図の従来装置は上記のように動作するので、電極
の寿命が尽きたときを正しく判定してこれを検出し、警
報を発するとともに加工を強制的に中断するので加工用
トーチの保護が適切に行われるものであるが、この警報
および保護回路は押ボタンスイッチPB3を押すことによ
って随時リセットすることが可能である。したがって作
業者が警報に気づき、電極の点検取替を行った後にこの
リセット操作を行なう限りにおいては何ら問題はない。
しかし、警報によって加工が中断されたときに、作業者
が故意にあるいは誤って電極の取替をせずにリセット用
押ボタンスイッチを押した場合でも、加工の再開が可能
となる。それ故このような誤操作が行なわれると電極の
寿命が尽きているにもかかわらず再び加工が行なわれる
ことになり、保護回路を設けた意味がなくなり、トーチ
焼損に至る事故が発生することになる。

〈課題を解決するための手段〉本発明は、電極取替の時期が検知されて保護回路が動
作し、警報の発生および加工禁止の処置がなされた後は
電極取替の操作が行なわれてこの操作によって閉じる接
点を上記保護回路のリセットの条件として用いることに
よって上記問題を解決したものである。

〈作用〉本発明の装置においては、一旦保護回路が動作し、加
工禁止および警報を発生した後は、実際に電極の取替作
業を実行しない限り保護回路のリセットが行なえないの
で、誤操作によって電極不良のまま加工を再開すること
がなくなるものである。

〈実施例〉第１図に本発明の実施例の接続図を示す。同図におい
て10は電極取替時にチップ電極３を取外したときに開く
接点であり、CR3,CR4はリレーであり、それぞれ図示の
ように接続されている。その他は第４図に示した従来装
置と同機能のものに同符号を付してある。同図の実施例
において、電極の寿命が終了したときに比較器７がハイ
レベル出力をRSフリップフロップ回路９に供給するとそ
のＱ端子出力がハイレベルとなり、これによってトラン
ジスタTR1が導通し、リレーCR1が励磁される。リレーCR
1の励磁によってリレーCR2が非励磁となり加工用電源１
は出力を停止しアークが遮断されて加工は中断する。同
時に接点CR1aによって警報器ALMが動作し作業者に電極
の取替時期であることを知らせる。

またこのときリレーCR4のコイルに直列に接続された
接点CR1aも閉じるが、作業者が電極を取外す作業を始め
るまでは接点10は閉じたままであるのでリレーCR3は励
磁されており、接点CR3bが開いているのでリレーCR4は
非励磁のままである。このためにリセット用押ボタンス
イッチPB3に直列に接続された接点CR4aは開いており、
この状態ではリセット用押ボタンスイッチPB3は無効と
なっており、リセットできない。

作業者が点検，取替等のために主電極２およびチップ
電極３を取外すとこの作業に応動する接点10が開き、リ
レーCR3が非励磁となる。このためリレーCR4が接点CR1a
およびCR3bを通して励磁される。この結果、リセット用
押ボタンスイッチPB3に直列接続された接点CR4aが閉じ
て押ボタンスイッチPB3が有効、即ちリセット可能とな
る。またリレーCR4は接点CR4aにて自己保持されるので
主電極２およびチップ電極３を再びトーチ本体に取付け
てもリレーCR4は励磁状態をつづける。電極取替作業の
完了後、加工の再開に先立ってリセット用押ボタンスイ
ッチPB3を押すとフリップフロップ回路９がリセットさ
れリレーCR1が非励磁となり、接点CR1bが閉じることに
よって再起動可能となるとともにリレーCR4が非励磁と
なって警報発生前の状態に戻る。

なお第１図の実施例においては、警報器ALMは電極取
替作業を行なうまで警報の発信を停止できないが、作業
者が確認後は警報のみを停止し得るように警報器ALMに
直列に切替スイッチを設けて遮断できるようにすれば警
報器にブザー等音響発生器を用いるときに便利である。

第１図において用いる接点10としては、電極の点検、
取替作業時に開くようにしたものであればよく、例えば
チップ電極の取付検出器、主電極の取付検出器の各出力
接点、あるいはトーチに水冷式のトーチを用いるときに
は、冷却水の送水停止や排出がこれらの作業の前工程と
なるので冷却水の送水停止や排出によって開く接点でも
よい。

第２図は、トーチのチップ電極の装着状態を検出する
検出機構を有するトーチの構造の要部を一部断面にて示
す図である。チップ電極３はトーチ本体11にネジ止めさ
れる絶縁性の保護キャップ31にて主電極２に対して同心
状に取付けられる。保護キャップ31にはトーチ本体との
衝合部にリング状の導電体からなる短絡導体101が埋設
されており、トーチ本体11にはこの短絡導体101に対向
する位置に２ケ所接点導体102a,102bが埋設されてお
り、この接点導体102a,102bはトーチ本体11に対してス
プリングにて常時外方に付勢されて保護キャップ31装着
時に短絡導体101と良好な電気的接触を得るように配慮
されている。この短絡導体101と接点導体102a,102bとは
第１図の電極取替時に開く接点10を構成しリード線103
にて外部に引出されている。

第２図の構造のトーチにおいて、主電極２またはチッ
プ電極３を点検あるいは取替えるためにトーチ本体から
取外すべく保護キャップ31を外すと接点導体102aと102b
との短絡が解除される。したがってこの接点導体102aと
102bとを第１図の接点10として直接利用するか、または
この接点によって動作するリレー接点を利用すれば第１
図の実施例の装置は警報発生後、トーチの保護キャップ
を外す、即ち作業者が電極を点検取替の動作を始めたこ
とによって、これがリレーCR4にて記憶されて警報のリ
セットが可能となる。

本発明はまた他の方式の保護回路を備えた装置にも適
用できる。第３図は、プラズマアーク加工時間の累積に
よって電極寿命の終了を予測する方式の装置に適用した
ときの例を示す接続図である。同図において12は加工時
間を計数する積算時間計であり、Ｃ端子に接続されたリ
レー接点CR2aが閉路している時間の累計を計数する。こ
の積算時間計12は計数時間が設定値に達したときＱ端子
にハイレベル信号を出力するものとし、かつ計数結果は
Ｒ端子が短絡されることによってリセットされるもので
あり、例えばクロック発振器とプリセットカウンタとに
よって構成することができる。上記以外は第１図に示し
た実施例と同機能のものに同符号を付している。

第３図の装置において、押ボタンスイッチPB1を押す
とリレーCR2が励磁されて接点CR2aが閉じる。加工用電
源１はこれによって出力をトーチ11と被加工物４との間
に供給し、第１図の実施例にて説明したと同様にプラズ
マアーク加工が開始される。一方、リレー接点CR2aの閉
路によって積算時間計12は計時を開始する。加工の終了
に際して押ボタンスイッチPB2を押すとリレーCR2が非励
磁となり、加工用電源１は出力を停止し、また積算時間
計12は計時を休止する。このようにして加工、停止をく
りかえすうちに、加工時間の累計が積算時間計12の設定
値に達するとその出力端子Ｑがハイレベル出力となり、
これによってトランジスタTR1が導通し、リレー１が励
磁される。リレーCR1が励磁されるとその接点CR1aによ
って警報器ALMが駆動され、作業者に電極を取替えるべ
き時期であることを知らせる。このとき接点CR1bを第３
図のように押ボタンスイッチPB1と直列にして接点CR2a
と並列に接続される位置にしておくと、積算時間計12の
計数が設定値に達しても直ちにはリレーCR2が非励磁と
なることはなく、次に加工停止の押ボタンを押すまでは
警報のみ発して加工は続行する。この状態で押ボタンス
イッチPB2を押すとリレーCR2は非励磁となり加工が終了
する。次にリレーCR1が励磁された状態では押ボタンス
イッチPB1を押しても直列に接続されている接点CR1bが
開いたままであるので再び加工を開始することはできな
い。また加工を終ったままでは接点10は一度も開いてい
ないのでリレーCR3は励磁されたままであり、このため
にリレーCR4は非励磁の状態を保っているので押ボタン
スイッチPB3を押しても積算時間計12をリセットするこ
とはできない。

作業者がトーチの主電極２およびチップ電極３を点
検、取替える作業を行なうことによって接点10が開くと
リレーCR3が非励磁となり、このときカウントアップに
よりリレー接点CR1aが閉じているからリレーCR4が励磁
され、接点CR4aにて保持される。リレーCR4の励磁によ
って積算時間計12のリセット用押ボタンスイッチPB3が
有効となり、電極取替作業の終了後にこれを押すことに
よって積算時間計12の内容が初期値にリセットされる。
またこれと同時に警報器ALMも停止し、また加工起動用
押ボタンスイッチPB1が有効となり、加工を再開できる
状態に戻る。それ故、第３図の実施例においては積算時
間計12の設定時間としては、電極の寿命に達するよりも
若干（１回の加工時間程度）短い時間に設定しておく。
ただし、警報と同時に加工を強制的に中断するようにす
るときは押ボタンスイッチPB1に直列接続している接点C
R1bを第１図の実施例のようにリレーCR2のコイルに直列
に接続する位置にかえればよい。この場合には積算時間
計12の設定時間は電極寿命とほぼ同じ時間とすればよ
い。

なお、第３図の実施例において、各加工毎の加工時間
や加工電流等の条件がほぼ定まっているときには、加工
時間の累積値にかえて加工回数を計算することによって
電極消耗を推定するためのデータとして代用できるの
で、積算時間計12にかえて加工回数カウンタを用いても
よく、この場合には、リレー接点CR2aの閉路毎に１カウ
ントする単なるプリセットカウンタを用いることができ
る。

また、上記各実施例においては、いすれも押ボタンス
イッチPB3によって保護回路および警報回路をリセット
するようにしたが、電極取替の作業に応動する接点10ま
たはこれによって動作するリレーCR3,CR4の接点のみに
よってリセットするようにしてもよい。この場合には第
１図および第３図の実施例においてリセット用押ボタン
スイッチPB3とリレー接点CR4aとの直列回路にかえてリ
レーCR3の常閉接点CR3bまたはリレーCR4の常開接点CR4a
のみをＲ端子に接続すればよい。これによって保護回路
および警報器は電極取替の作業を行なうことによって自
動的にリセットされる。

さらに各実施例において用いた回路素子やリレー等は
これらと同機能を有する他の論理素子によって構成して
もよい。

〈発明の効果〉上記のように本発明の装置は、電極の寿命を検知して
加工の禁止や警報を行なうようにしたものにおいて、こ
れら保護回路や警報回路のリセットが電極取替作業を行
なうことによって可能となるようにしたので、電極の寿
命が尽きたことが検出されたときには、回路のリセット
のみを行なうことができない。その結果、寿命の尽きた
電極を取替えずに加工を再開する危険性がなく、トーチ
焼損事故の発生が防止できる。

また、単にリセット用押ボタンを押しても警報が解除
できず、かつ加工も再開できないので、作業者に電極取
替の必要性を確実に認識させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す接続図、第２図は本発明
の実施に適した接点を有する加工用トーチの概略構造を
示す図、第３図は本発明の別の実施例を示す接続図、第
４図は従来の装置の例を示す接続図である。１……加工用電源、２……主電極、３……チップ電極、
3l……保護キャップ、４……被加工物、５……アーク、
６……電圧検出器、７……比較器、８……基準電圧設定
回路、９……RSフリップフロップ回路、10……接点、10
l……短絡導体、102a,102b……接点導体、11……トーチ
本体、12……積算時間計、ALM……警報器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭62−127173（ＪＰ，Ａ) 特開平３−23070（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 10/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電極間電圧または加工電流、加工電圧など
の変化や加工回数、加工時間等を計数することにより電
極の取替時期を判定して警報を発し、また加工を禁止す
る保護回路を備えたプラズマアーク加工装置において、
前記電極を取替える操作の少なくとも１つ以上が実行さ
れたことに応動して閉路する接点を設けるとともに前記
保護回路のリセット用スイッチと前記接点とを直列に接
続したプラズマアーク加工装置。
【請求項２】電極間電圧または加工電流、加工電圧など
の変化や加工回数、加工時間等を計数することにより電
極の取替時期を判定して警報を発し、また加工を禁止す
る保護回路を備えたプラズマアーク加工装置において、
前記電極を取替える操作の少なくとも１つ以上が実行さ
れたことに応動して閉路する接点を設け、前記接点を前
記保護回路のリセット手段として用いるプラズマアーク
加工装置。